金属及合金的塑性变形.ppt

本章目的 1阐明金属塑性变形的主要特点及本质 2指出塑性变形对金属组织和性能的影响 3塑性变形后金属和合金的热力学 第四章金属及合金的塑性变形 本章重点 1 拉伸曲线及其所反映的常规机械性能指标 2 塑性变形的宏观变形规律与微观机制 3 加工硬化的本质及实际意义 4 塑性变形对金属与合金组织 性能的影响 5 金属材料的强化机制 4 1金属的变形特性 一金属变形的方式及研究方法1方式 弹性变形塑性变形断裂 2研究方法曲线种类 载荷 变形曲线 真应力 真应变曲线 工程应力 应变曲线 主要研究手段 拉伸过程与拉伸曲线示意 工程应力 应变曲线中 颈缩 现象掩盖了 加工硬化 二工程应力应变曲线 低碳钢应力应变曲线 典型性 分析变形过程 强度 塑性指标的意义 e s b 弹性阶段 弹性极限 e 屈服阶段 屈服极限 s 强化阶段 强度极限 b 颈缩阶段 屈服点 概念 力不增加仍能继续伸长时的应力 用符号 s表示 抗拉强度 概念 试样拉断前所承受的最大拉应力 用符号 b表示 注 s b是设计与选材的重要依据 另 e表示弹性极限 在外力作用下产生弹性变形时所承受的最大拉应力 塑性plasticity 概念 在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力 判据 断后伸长率 断后断面收缩率 断后伸长率 概念 试样断后标准的伸长量与标准的百分比 其中 Lk 断后试样长度Lo 试样原始长度 断后断面收缩率 概念 断后截面处面积的最大缩减量与原始截面面积百分比 说明 伸长率和收缩率在实际应用中 一般是用 表示塑性大小 越大 材料的塑性越好 通常认为 5 脆性材料 1 退火低碳钢2 正火中碳钢3 高碳钢但弹性模量基本相同 1 有机玻璃 硬而脆2 纤维增强热固塑料 硬而强3 尼龙 硬而韧4 聚四氟乙烯 软而韧 形式与材料塑性有关 三弹性模量与刚度 E G 弹性模量意义 拉伸曲线上 斜率 弹性变形难易 组织不敏感 取决于原子间结合力材料种类 晶格常数 原子间距刚度构件刚度 A E 弹性变形难易材料刚度 E 一 弹性形变的宏观定律 4 2弹性变形 二 弹性变形能 三 影响弹性变形的因素 一 塑性形变的宏观特征 4 3塑性形变的表象 二 塑性形变在纤维组织中的反映 晶粒外形的变化晶粒内部的变化 4 4单晶体的塑性变形 塑性变形研究思路 基本单元 单晶体变形特性 晶界影响 多晶体变形特性 相界 合金变形特性塑性变形方式 滑移 孪生 F 一 滑移现象与滑移特点1滑移定义 在外力作用下 晶体相邻二部分沿一定晶面 一定晶向彼此产生相对的平行滑动 高锰钢中的滑移带 500X 滑移线与滑移带 均为塑变后晶体表面产生的滑移台阶 但大小不同 滑移示意图 2滑移特点 发生在最密排晶面 滑移方向为最密排晶向 只在切应力下发生 存在临界分切应力 拉伸轴线与滑移方向夹角 拉伸轴线与滑移面法向夹角 Fcos A cos F A cos cos cos cos 分切应力 取向因子 分切应力的大小与取向因子直接相关 什么是分切应力 临界分切应力 K 使滑移系开动的最小分切应力 k的影响因素 取决于金属本性 与外力无关 取向无关 组织敏感参数 金属不纯 变形速度愈大 变形温度愈低 k愈大 什么是临界分切应力 当 K时 发生滑移 滑移面的取向因子大 则分切应力大 当滑移面法线 滑移方向 外力轴三者共面 即 90 时 可能获最大取向因子 cos cos cos 90 cos 45 时 取向因子获最大值1 2取向因子大 软取向 或 90 时 取向因子为0 0 取向因子小 硬取向 cos cos cos 90 cos 与 K对应的 即为 s s的影响因素 与 k有关 与外力取向有关 s K cos cos 滑移两部分相对移动的距离是原子间距的整数倍 滑移后滑移面两边的晶体位向仍保持一致 伴随晶体的转动和旋转 滑移面转向与外力平行方向 滑移方向旋向最大切应力方向 单晶体拉伸变形示意 滑移时晶体的转动和旋转 位向和晶面的变化拉伸时 滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向压缩时 滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线 SingleCrystalSlip 意义 实际金属由多晶体构成 通过晶体的转动和旋转 原来取向有利的晶粒 单晶体 经过一定量塑性变形后取向不利 停止塑性变形 原来取向不利的晶粒经过旋转 转动取向变为有利 开始塑性变形 循环往复后可使塑性变形更均匀 随滑移加剧 存在多滑移和交滑移现象多滑移 在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移 意义 促进加工硬化滑移的本质是借助位错线的逐步运动 多滑移时不同方向的位错线相交割 互为阻碍 难滑移 交滑移 多个滑移面同时沿一个滑移方向进行的滑移 铝单晶体形变出现的交滑移 意义 当位错沿一个滑移面的移动受阻时 可通过攀移 转移到另一个面继续滑移 易滑移 使滑移方向灵活 可降低脆性 不同合金加工硬化效果不同 单系滑移 多系滑移 交滑移 多系滑移 1 滑移系一个滑移面和该面上的一个滑移方向称为 每种晶格滑移系数目的多少可用来衡量滑移难易 3滑移系及滑移系数的实际意义 2 各晶体结构的滑移系体心立方 b c c 面心立方 f c c 密排六方 滑移面 0001 滑移方向 1120 滑移系数目 1 3 3 3 滑移系数目的实际意义 判断塑性变形能力 滑移系数目愈多 塑性愈好 滑移系数相同时 滑移方向多者塑性较好塑性排序 f c c b c c h c p 二滑移机制 原子刚性移动模型演示 理 G G 2 但 实 10 3 10 4G 2 刚性移动模型失败 应有更省力的方式 位错学说的产生 参考 刘国勋 金属学原理 二滑移机制 根据原子刚性移动模型 依虎克定律 位错学说 滑移台阶 完整晶体 有缺陷晶体 刃位错滑移演示 1滑移的本质 位错学说 晶体内部存在某类缺陷 位错 塑性变形依靠位错的逐步运动 非单个位错原子列作原子间距的完整跳跃 而是位错中心附近少数原子作远小于原子间距的弹性偏移实现 实 理的原因 实际金属强度远小于理想结构金属强度 滑移是由位错运动造成的 滑移位错机制 2滑移过程中存在位错增殖 背景 退火态 位错 1010m 2 冷变形 位错 1015 1016m 2 位错增殖学说 D D 位错源 弓出 蜷曲 D D 位错环 位错源 下图为Frank Read位错源增殖机制 弗兰克 瑞德源机制演示 意义 引起滑移的位错并不消失反而增殖 位错 位错强化3位错在运行中产生交割与塞积 位错密度愈高 交割与塞积愈严重 不在同一滑移面上的位错相遇产生割阶 运行阻力 位错之间互为阻力 位错 使 HB 的主要原因 杂质 晶界 固定位错阻碍位错运行 导致位错塞积 三孪生 1定义 晶体在切应力下其一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分作均匀切变 孪晶带 2孪生特点 孪生前后变形部分晶体位向改变 两部分之间以孪生面为镜面对称 切变区域内与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离呈正比 相邻原子间的相对位移为原子间距的分数倍 存在临界分切应力 孪 滑 变形速度极快 声响 变形量小 孪生与滑移变形比较 1 孪生 均匀切变 滑移 塑性变形是不均勺的 2 孪生 各晶面移动量与其离孪晶面距离成正比 相邻晶团相对移动距离通常只是原子间距的几分之一 滑移 变形时 滑移距离则是原于间距的整倍数 3 孪生 晶体变形部分的位向发生变化 并且孪晶面与未变形部分对称 滑移时 晶体位向并不发生变化 4 孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型 5 孪生临界分切应力值大 因此 只在很难滑移的条件下 晶体才发生孪生 滑移系少的密排六方金属 常以孪生方式变形 孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10 但是孪生使晶体位向变化 从而引起滑移系取向变化 能促进滑移的发生 往往孪生与滑移交替发生 即可获得较大的塑性变形量 四影响塑性变形方式的因素 1 晶体结构 滑 孪 足够滑移系数目时 滑移f c c 滑移 极低温例外 位错被钉扎 b c c 滑移为主 冲击或低温时例外h c p 孪生孪生作用 直接贡献 促进滑移 2 变形速度 V变形 孪生几率 原因 滑 滑与 孪差距 3 变形温度T 孪生几率 原因 滑 V变形 与低温综合作用加剧孪生 滑移与孪生往往交替进行 4 5多晶体与合金的塑性变形 一多晶体塑性变形特点 单个晶粒与单晶体一致 各晶粒的变形具不同时性 分批 逐次 原因 取向不同 变形具不均匀性晶粒内部与边界 晶粒之间 取向 多晶体变形抗 阻 力 单晶体原因 晶界阻碍位错运动 位向差 晶粒之间须协调 意义 晶界强化 金属材料强化机制之一霍耳 配奇公式 s 0 Kd 1 2 二合金塑性变形特点 溶质原子阻碍变形 第二相 与第二相的强塑性 大小 形态 分布等有关 固溶强化 第二相塑性优于基体 则 而 硬脆相 分布合理 则 阻碍位错 不合理 则 不能塑变 应力集中 开裂 ak甚至 第二相强化 弥散强化 一单相固溶体的塑性变形1固溶体的结构2固溶强化 1 固溶强化 固溶体材料随溶质含量提高其强度 硬度提高而塑性 韧性下降的现象 晶格畸变 阻碍位错运动 2 强化机制气团 缺陷之间的反应或缠结 分类 二 两相合金的塑性变形1结构 基体 第二相 2性能 1 两相性能接近 按强度分数相加计算 2 软基体 硬第二相第二相网状分布于晶界 二次渗碳体 两相呈层片状分布 珠光体 第二相呈颗粒状分布 三次渗碳体 弥散强化 4 6塑性变形对金属组织和性能的影响 一 塑性变形对金属组织结构的影响二 塑性变形对金属对性能的影响三 产生残余应力 一 塑性变形对金属组织结构的影响 纤维组织形成金属在外力作用下发生塑性变形时 随着变形量的增加晶粒形状发生变化 沿变形方向被拉长或压扁 当拉伸变形量很大时 晶粒变成细条状 金属中的夹杂物也被拉长 形成所谓纤维组织 塑性变形对组织结构影响晶粒变形 等轴状 拉长形成纤维组织 带状组织 性能各向异性 亚结构形成金属经大量的塑性变形后 由于位错密度的增大和位错间的交互作用 使位错分布变得不均匀 大量的位错聚集在局部地区 并将原晶粒分割成许多位向略有差异的小晶块 即亚晶粒 原因 位错受阻后塞积 缠结 亚晶界 晶粒分化为许多位向略有差异的小晶块 变形中的晶粒碎化 晶格较完整的亚晶块 严重畸变区 亚结构的细化铸态位错密度d 10 2cm 塑变后位错密度d 10 4 10 6cm 形变织构的产生由于塑性变形过程中晶粒的转动 当变形量达到一定程度 70 以上 时 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致 形成特殊的择优取向 择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织 称为织构 形变织构 定义 金属塑性变形到很大程度 70 时 晶粒发生转动 各晶粒的位向趋于一致 这种有序化的结构 另 铸造织构 意义 性能各向异性不利 变形不均匀 制耳 现象 获特异性能 变压器铁芯硅钢片 100 难消除 须控制变形量 二对性能的影响1对力学性能的影响 加工硬化 1 加工硬化 形变强化 冷作强化 随变形量的增加 材料的强度 硬度升高而塑韧性下降的现象 强化金属的重要途径 利 2 利弊材料加工成型的保证 弊变形阻力提高 动力消耗增大 脆断危险性提高 原因 位错增殖 意义 强化手段 形变强化 有利于塑性变形均匀进行 有利于金属构件的工作安全性不利 再变形难 解决办法 冷加工之间的再结晶退火 二对性能的影响2对物理 化学性能的影响导电率 导磁率下降 比重 热导率下降 结构缺陷增多 扩散加快 化学活性提高 腐蚀加快 塑性变形对材料对性能的影响1 加工硬化 随变形量的增加 材料的强度 硬度升高 而塑韧性下降的现象 脆断危险性提高 变形阻力提高 动力消耗增大 2 对物理 化学性能的影响导电率 导磁率下降 比重 热导率下降 结构缺陷增多 扩散加快 化学活性提高 腐蚀加快 2 随变形量增加 亚结构细化3 随变形量增加 空位密度增加4 几何硬化 由晶粒转动引起由于加工硬化 使已变形部分发生硬化而停止变形 而未变形部分开始变形 没有加工硬化 金属就不会发生均匀塑性变形 加工硬化是强化金属的重要手段之一 对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要 三残余应力 约占变形功的10 第一类残余应力 宏观内应力 由整个物体变形不均匀引起 1分类第二类残余应力 微观内应力 由晶粒变形不均匀引起 第三类残余应力 点阵畸变 由位错 空位等引起 80 90 利 预应力处理 如提高疲劳极限 2利弊弊 引起变形 开裂 如黄铜弹壳腐蚀开裂 3消除 去应力退火 第一类内应力 宏观内应力工件不同部位 第二类内应力 微观内应力晶粒之间或内部不同区域 2产生残余应力 第三类内应力 点阵畸变 位错 空位 1 造成变形 9 10 应力集中 造成裂纹 90 强度 塑性 原因 消除方法 去应力退火残余应力的应用 喷丸处理 提高强度 拉 s 压 3性能出现方向性 形变织构 70 4其它性能的影响物理 电阻 导电 导磁性 化学 化学活性 耐蚀性 消除 去应力退火 产生加工硬化的原因是 1 随变形量增加 位错密度增加 由于位错之间的交互作用 堆积 缠结 使变形抗力增加 三合金中的强化方式1晶界强化 定义 通过细化晶粒 增加晶界 提高材料强度的方法 特点 强化程度与晶粒大小有关 d 霍耳 配奇关系式 s 0 k d 1 2 是唯一同时提高 ak 的机制 只适于常温条件2固溶强化 3位错强化 4第二相强化 习题与思考题 1说明下列符号所表示的意义及量纲 e s b 0 2 ak2面心立方 体心立方 密排六方金属的主要塑性变形方式是什么 温度 变形速度对其有何影响 铝 铁 鎂中哪种金属的塑性最好 哪种最差 3绘图说明常见fcc bcc结构金属的滑移系有哪些 这两种晶体结构的密排面 密排方向是哪些 与滑移系之间有何关系 4何谓加工硬化 简述其形成 其实质是什么 如何消除 举例说明加工硬化的弊与利 5试述金属材料经冷塑性变形后 对组织 性能的影响 6什么叫织构 对材料性能有何影响 7讨论 金属材料主要有哪些强化机制